[논문]진공환경에서 GPS 수신기의 성능분석

문지현; 권병문; 신용설; 최형돈

진공환경에서 GPS 수신기의 성능분석
Performance Analysis of a GPS Receiver under the Vacuum Environments 원문보기

항공우주기술 = Aerospace engineering and technology, v.8 no.1, 2009년, pp.66 - 72

문지현 (제어팀) , 권병문 (제어팀) , 신용설 (제어팀) , 최형돈 (제어팀)

초록
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본 논문에서는 KSLV-I 전자탑재물의 하나인 GPS 수신기의 진공환경에서의 동작성을 검증하기 위하여 수행된 단품수준의 열진공시험 및 시스템수준의 진공시험에 대하여 소개하고 GPS 수신기의 운용방법 및 진공환경에서의 성능분석 결과를 제시하며, 압력변화 및 고진공 조건에서 나타날 수 있는 전자부품의 손상 및 성능저하 정도를 GPS 수신기에서 계산된 최대신호대잡음비와 항법해 오차를 분석한 추적성능 및 항법성능을 통해 살펴보았다.

Abstract ▼ AI-Helper

In order to verify the operability of a GPS receiver which is one of the KSLV-I onboard electrical equipments under the vacuum conditions, this paper describes the operation methods and performance results of the GPS receiver under the thermal-vacuum and vacuum environments. The damages and degradations of electrical parts of the GPS receiver caused by the pressure change and high-degree vacuum conditions are analyzed in terms of tracking and navigation capabilities through the signal-to-noise ratio and navigation error.

주제어

AI 본문요약
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문제 정의

본 논문에서는 KSLV-I GPS 수신기에 대하여 수행된 단품수준의 열진공시험 및 시스템수준의 진공시험에서의 성능분석을 통해 GPS 수신기의 진공환경에서의 동작성을 검증하고자 하였다.
본 논문에서는 KSLV-I 발사체의 항법정보를 계산하여 비행안전용 센서로 활용될 GPS 수신기의 진공시험을 위한 운용에 대하여 기술하며, 단품수준에서 수행된 열진공시험(10^-5 torr, -34℃ ~ +71℃, 3주기, 잠김 1시간)과 상단조립 후 수행된 진공시험(10^-4 torr, 30분 유지)에서 압력강하, 고진공 상태, 압력상승에 따른 GPS 수신기의 성능분석을 수행하였다[3-5].

제안 방법

KSLV-I GPS 수신기의 진공환경에서의 성능분석은 단품수준의 열진공시험 및 시스템수준의 진공시험에서 나타난 최대신호대잡음비 및 항법오차를 통해 수행하였다.
torr의 진공상태를 유지하면서 -34℃ ~ +71℃ 온도범위의 열주기 시험을 3주기 수행하여 진공상태 및 온도변화 환경에서 GPS 수신기의 성능을 검증하였다. 단품수준 수락시험은 KSLV-I 상단 인증모델 조립체로서 향후 GTV(Ground Test Vehicle)로 운용될 USQM(Upper-stage Qualification Model)에 탑재되는 GPS 수신기에 대하여 수행되었으며, USQM은 시스템수준의 인증시험에도 투입되었다. 단품수준의 수락시험은 단품 인증시험 규격의 범위에 포함되고 GPS 수신기가 단품 인증시험을 통해 진공환경에서의 동작이 검증되었기 때문에 본 논문에서는 단품수준의 수락시험에 대해서는 다루지 않고, 단품 및 시스템수준의 인증시험으로 수행된 열진공시험과 진공시험에 대해서만 다루도록 한다.
단품수준 열진공시험에서는 저온 하강구간에서 온도하강 시간을 단축시키기 위해 1, 2주기에 대하여 GPS 수신기의 전원을 차단하고 진행하였으며, 1주기 저온잠김 구간에서 GPS 수신기의 상태확인을 위하여 잠시 전원을 인가하였다. 또한 시험절차상 각 잠김구간에서 GPS 수신기의 초기동작을 확인하기 위한 리셋이 수차례 수행되었다.
단품수준 인증시험에서는 10^-5 torr의 진공상태를 유지하면서 -34℃ ~ +71℃ 온도범위의 열주기 시험을 3주기 수행하여 진공상태 및 온도변화 환경에서 GPS 수신기의 성능을 검증하였다. 단품수준 수락시험은 KSLV-I 상단 인증모델 조립체로서 향후 GTV(Ground Test Vehicle)로 운용될 USQM(Upper-stage Qualification Model)에 탑재되는 GPS 수신기에 대하여 수행되었으며, USQM은 시스템수준의 인증시험에도 투입되었다.
반면 시스템수준의 진공 시험에서는 공급신호 레벨을 15dB로 고정하였으며 움직임이 없는 정적 시나리오로 운용하였다. 단품수준에서는 GPS 수신기의 신호특성, 동특성 환경에서의 동작 등을 살펴보기 위하여 시나리오에 다양한 특성을 부여하였으며, 시스템수준에서는 단품수준에서 기본적인 검증이 완료되었기 때문에 고정세기의 신호가 제공되는 정적 시나리오를 운용하였다.
단품수준 수락시험은 KSLV-I 상단 인증모델 조립체로서 향후 GTV(Ground Test Vehicle)로 운용될 USQM(Upper-stage Qualification Model)에 탑재되는 GPS 수신기에 대하여 수행되었으며, USQM은 시스템수준의 인증시험에도 투입되었다. 단품수준의 수락시험은 단품 인증시험 규격의 범위에 포함되고 GPS 수신기가 단품 인증시험을 통해 진공환경에서의 동작이 검증되었기 때문에 본 논문에서는 단품수준의 수락시험에 대해서는 다루지 않고, 단품 및 시스템수준의 인증시험으로 수행된 열진공시험과 진공시험에 대해서만 다루도록 한다.
열진공시험에서 사용된 GPS 시뮬레이터의 시나리오와 시스템수준 진공시험에서 사용된 시나리오는 표 3과 같은 차이가 있다. 단품수준의 열진공시험에서는 신호 세기를 15dB 및 10dB로 변화시키면서 공급하였으며, 속도는 100m/sec로 설정하여 반경 10km인 원주를 선회하는 움직임을 모사하도록 하였다. 반면 시스템수준의 진공 시험에서는 공급신호 레벨을 15dB로 고정하였으며 움직임이 없는 정적 시나리오로 운용하였다.

대상 데이터

0dB 정도 낮게 유지되고 있는 현상은 3번 고주파수신단의 특성이 상대적으로 좋지 않기 때문이며, 대기압에서 고진공 상태로의 압력하강 시나 고진공 상태에서 대기압으로의 압력상승 시에도 압력변화의 영향은 받지 않는 것을 볼 수 있다. 참고로 온도조건에 따라 전자소자의 잡음특성이 나빠지는 현상은 보드수준에서 수행되는 별도의 온도시험을 통하여 확인될 수 있으며, 비행시험용으로 제작되는 보드는 온도조건에서의 잡음특성이 검증된 후 선별되었다.

성능/효과

압력강하 및 고진공 상태에서 전자탑재물은 열전달률 감소 및 탈가스 현상 때문에 탑재 프로세서의 과열이나 부품 오동작 및 납땜부 손상 등의 문제가 발생할 수 있으나, 이러한 환경에서 GPS 수신기의 추적 및 항법 성능은 매우 양호하게 나타났으며, 열진공시험의 온도변화 구간에서 부분적으로 잡음이 증가하는 특성을 나타냈다. 이는 단품수준에서 추가적으로 수행된 수차례 온도시험 및 수정작업을 통해 개선되었다[4].

후속연구

또한 시스템수준의 진공시험에서도 압력하강 및 고진공 유지구간에서 진공환경에 의한 성능저하 없이 정상적으로 동작하였다. 이와 같이 KSLV-I GPS 수신기는 단품수준 열진공시험 및 시스템수준 진공시험을 통해 압력변화 및 고진공 조건에서의 추적성능 및 항법성능이 검증되었으며, 검증이 완료된 GPS 수신기는 추후 KSLV-I 비행시험에 적용되어 비행안전 분석용 항법 데이터를 제공할 예정이다.

질의응답

핵심어	질문	논문에서 추출한 답변
	고도 30km에서의 기압은 얼마인가?	지구를 둘러싸고 있는 대기 중 약 99%는 지상으로부터 고도 30km 이내에 존재하며, 고도 30km에서의 기압은 대기압의 1/100 수준인 10.13mbar(≈7.6torr)를 유지한다[1, 2]. 이러한 저압력 및 진공상태는 지상의 대기압 상태와 비교 하여 물리적으로 큰 차이가 있기 때문에 고고도를 비행하는 항공기, 위성 및 위성발사체 등의 시스템에 탑재되는 장비는 지상에서 사용되는 일반 상용장비와는 다르게 대기압보다 낮은 압력환경 및 우주의 고진공 환경에서 정상적으로 운용될 수 있도록 설계되어야 하고, 실제 운용 이전에 충분한 검증작업이 수행되어야 한다.
	고고도용 전자 탑재시스템의 설계 시 유의해야하는 진공에 따른 물리적 현상은 무엇이 있는가?	① 열전달률 감소 대기압 상태에서는 전도, 복사, 대류의 3가지 현상에 의해 열전달이 수행된다. 진공이란 매질인 기체가 거의 없는 상태이므로 대류에 의한 열전달은 차단되며, 전도 및 복사에 의해서만 열전달이 이루어진다. 따라서 진공상태에서는 열전달이 원활하게 이루어지지 않기 때문에 우주용 시스템에 탑재되는 온보드(Onboard) 컴퓨터나 전자탑재물에 사용되는 프로세서는 진공 조건에서 열 싱크가 잘 설계되어야만 과열로 인한 부품손상, 성능저하 및 오동작의 발생 등을 방지할 수 있다. ② 탈가스 현상(Outgassing) 탈가스 현상이란 진공상태에서 각종 물질 속에 흡착되어 있는 기체입자들이 서서히 방출되는 현상이다. 이러한 현상으로 인해 각종 물질 속에서 방출된 입자가 다른 물질로 흡착되어 부품의 성능저하나 오동작을 유발할 수 있음을 유의해야 한다. 탈가스 현상은 특히 사용된 재료의 종류나 제조과정에 따라 그 특성이 크게 다르므로 고고도 시스템용으로 사용될 부품이나 재료는 선정 과정에서부터 진공상태에서의 영향성을 고려해야 한다.
	KSLV-I GPS 수신기 시스템은 무엇인가?	KSLV-I GPS 수신기 시스템은 GPS L1(≈ 1575.42MHz) C/A 코드 신호를 처리하여 항법정보를 계산하는 Standalone GPS 수신기 시스템으로 발사체의 속도, 가속도, 저크 등의 동특성 조건에서도 정상적으로 동작하도록 설계되었다. 항법정보 및 Raw Measurement(Pseudorange, Doppler, Carrier Phase 등) 정보는 10Hz의 주기로 출력되며, 발사 대기시에는 발사체의 Cable Mast로 연결되는 RS-422 엄브리컬 및 Telemetry를 통해 데이터통신이 수행되고, 발사 후 비행구간에서는 Telemetry만을 통한 통신이 수행된다.

참고문헌 (7)

배석희, 인상렬, 정광화, 이영백, 신용현, 진공공학, 과학기술신서 18, 한국경제신문 (2000).
정석민, 이진원, 박종윤, 진공과학입문, 청문각(2001).
전영두, "KSLV-I 상단부 콤포넌트 환경시험 조건(SP51400PA00000-0001)", 한국항공우주연구원 내부자료, 2004.
최형돈 외, 위성발사체 탑재시스템 정밀도 및 신뢰도 향상 기술연구, 한국항공우주연구원, 2002 - 2006.
문지현, 권병문, 신용설, 최형돈, "KSLV-I 상단탑재부 인증모델의 진공시험에서 GPS 수신기의 성능분석", 2008 한국항공우주학회 춘계학술발표회, 2008.
권병문, 문지현, "위성발사체용 GPS 수신기 시스템의 환경시험 계획 및 절차 I, II",한국항공우주연구원 내부자료, 2004.
전영두, "전장베이 인증모델 조립체 진공시험 계획 절차서(PC51520PA00000-0011)", 한국항공우주연구원 내부자료, 2007.

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표제어: PCR

동의어: Packet Collision Rate

용어 설명 출처 목록 (6)

용어 설명: PCR은 세균 특이성이 있는 primer를 이용하여 적은 수의 세균이 있을지라도 쉽게 검출할 수 있는 유용한 방법이며, 이를 이용하여 구강 내 치면세균막이나 타액에서 직접 세균을 검출할 수 있게 되었다[8].

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